太阳能热利用原理与技术

1.1 能源和太阳能 日常生活和社会生产与发展都离不开能源。所谓能源就是人类生产生活所需要的能量资源。 能源主要有如下几种形式：矿物燃料（化石能源）、水能、风能、太阳能、生物质能、海洋能和地热能等。 从广义的角度看，几乎所有的自然能源都来自太阳能。 现代社会的发展主要依靠：煤、石油、天然气、水力能和原子能等。,第一章： 绪 论,热能利用的历史就是一部人类的发展史：,我国目前的各种用能的比例见下图：,美国目前的各种用能的比例见下图：,开发可再生能源的必要性,但化石能源是短时间不可再生的，叫做一次性能源。这些能源的藏量有限，很快就会枯竭，而且在使用时带来严重的环境污染。因此，探索使用可再生的能源是十分必要的，太阳能、生物质能、风能等是可再生能源的主体，特别是太阳能：取之不尽，用之不竭，清洁可靠、免费供应、人人均等。,世界上最丰富的永久性能源是太阳能。地球截取的太阳辐射能通量为：1.7×1014kW。其中：约30%被直接反射回宇宙空间；47%转变为热，以长波辐射形式再次返回太空；约23%是水蒸发、凝结的动力和风与波浪的动能；植物通过光合作用吸收的能量不到0.5%。,太阳能的一般情况,地球每年接收的太阳能总量为1×1018kW·h，相当于5×1014桶原油，是探明原油储量的几百倍，是世界年耗能总量的一万余倍。,但太阳能与有严重的缺陷：,1 总量虽然巨大，但通量密度低，大气层外为1353W/m2，在地面上1000 W/m2。 2有季节、昼夜和晴雨等间歇性变化。,一历史的回顾 我国西汉时即有“削冰令圆，举以向日，以艾承其影，则生“火”的说法； 西周时代：我们的祖先已经掌握了“阳燧”取火的技术，“阳燧”实际上是一种凹面镜，这是我国太阳能利用的最早记录。,1.2 太阳能热利用的历史、现状和未来,在国外，第一个大规模应用太阳能的人，是希腊的著名科学家阿基米德。公元前212年，他用许多平面镜将阳光聚集起来，烧毁了攻击西西里岛西拉修斯港的罗马舰队。 15世纪一名阿拉伯炼丹术士就使用了大马士革镜进行了太阳能蒸馏。实现了人工的海水淡化过程。 18世纪初发明了第一架用太阳能驱动的发动机；1874年在智利北部Las Salinas建造了第一个大型（4700m2）的太阳能蒸馏水厂；埃及成功地运行了灌溉用的太阳能水泵。,到了近代和现代：,19201930年，美国加州地区开始用太阳能集热器为用户供应热水。 1938年美国麻省理工学院建成了第一座太阳能采暖建筑。 1973年爆发能源危机，进一步促进了新能源的研究与发展，许多国家把重视太阳能的开发利用放在了战略地位上考虑。一大批太阳能利用示范工程被建立。,美国建立了首座5000kW的塔式热发电厂； 美国建立了首座大型太阳能热泵采暖系统（供暖面积27870 m2 ，平板集热器面积3344 m2） 1984的太阳能光电池的定单量已达18.5MW,二我国近年太阳能利用的发展,我国能源从总体上相当丰富，水力资源含量居世界第1位，煤碳居第3位，石油居第8位，天然气居第16位。但我国人口众多，按人均分配看，却是一个真正能源缺口大国，人均拥有的能量储量仅有美国的十七分之一。因此我国在太阳能利用方面有强烈的愿望和需求。,二我国近年太阳能利用的发展,目前，我国已经成为世界上最大的太阳能利用大国，但不是强国。我国上规模的厂家有120多家，小厂家一起，超过5000家，年产值400多亿元。这些成绩的取得都是与我国科学工作者和太阳能专家分不开的。,第二章 太阳辐射,一太阳太阳是离地球最近的一颗恒星。它是一个巨大而炽热的等离子体，主要成份为氢和氦元素。太阳几乎为球形，直径为1.392×109m，是地球直径的109倍，体积比地球大130万倍。日地平均距离为1.5×108km，从太阳发出的光线到达地球需要8分钟。,太阳的内部结构,太阳内部正经历着剧烈的核反应4个氢原子核1H合成1个氦原子核4He 在这种核反应中，质量亏损为：按照爱因斯坦质量能量关系释放出的能量为,太阳发出的能量及寿命,在太阳中心区有0.1 R的氢燃烧就能释放能量 ，这可以供给太阳辐射（光度L）寿命t达： t=E/L=1.28×1044J/3.845×1026W=3.32×1017s1×1010年,太阳的辐射区,辐射区的范围约从0.25 R到0.8 R，密度和温度都很快向外减小，核反应区产生的能量经此区以辐射转移的方式向外传输，从核反应区出来的是高能射线光子，经辐射区物质接连地吸收并再辐射出较低能量的光子，自内向外依次变为X射线、远紫外、紫外、可见光光子，最后以可见光光子及其他形式辐射出来。,地球与太阳的相对大小,太阳发出巨大能量向宇宙辐射，到达地球大气层上界的太阳能量只占太阳总功率的1/20亿，即180×1012kW。到达地球外表高层的太阳能中，30%被大气层反射，23%被吸收，47%左右可到达地面。尽管只有47%到达地面，其功率已达85×1012kW。相当于全世界发电量的几十万倍。 太阳表面的温度是变化的，在一般的太阳能热利用中，可将太阳表面温度看成固定温度6000K(5700K)。 太阳光中有各种波长的光线，一般取0.33m。已占太阳光的98%以上。,二地球绕太阳的运行规律,1地球的公转与赤纬角 贯穿地球中心与南、北两极相连的线称为地轴。地球除了绕地轴自转外（自转一周约24小时），还在椭圆形轨道上围绕太阳公转，运行一周为1年，约365天。 地球自转轴与椭圆轨道平面（称黄道平面）的夹角为66°33。地轴在空间的方位始终不变，因而赤道平面与黄道平面的夹角为23°27。这就造成了太阳光线垂直照射在地球表面的位置一年中在± 23°27 纬度之间变化，这就是地球上形成四季的原因。,地球在一年中相对太阳的位置,6月22日 夏至,12月23日 冬至,9月23日 秋分,3月21日 春分,在北半球,春分及秋分时，太阳光线正射（垂直照射）在赤道上，赤纬角都为零，昼夜时间相等。 夏至（6月22日），太阳光线正射在北回归线上，= 23°27。 冬至（12月22日），太阳光线正射在南回归线上，= 23°27。,一年中某日的赤纬可由下式计算：,n是所求当日在一年中的日子数（从一月一日算起）。,2地球的自转与太阳时,地球自转一周360°，所需时间24小时；因此相当于每小时转15°。由于各地所采用的时间标准不一样，所以我们生活中的时间并不是真正太阳升起降落的时间（称为太阳时）。太阳时的午时（中午12时）太阳光线正好通过当地的子午线。（或简单地说，正好在南北方向上）,太阳时与各地使用的标准时间并不一致，转换关系为：,太阳时 = 标准时间 + E ± 4×（L标准L当地） L标准标准时间采用的标准经度，（°）； L当地当地的经度，（°）。 E为时差 公式中东半球为负号，西半球取正号。,我国取东经120°为标准时间（即北京时间），所以 太阳时 = 北京时间 + E ± 4×（120L当地） (单位为分钟),E为时差，以分为单位。,n是所求日期在一年中的日子数 （从一月一日算起）。,一年中时差变化曲线,太阳时角,用角度表示的太阳时叫太阳时角，以表示。太阳午时=0°，上午取负值，下午取正值。每昼夜变化为±180°，每小时15°。例如上午10点钟时=30°；下午3点钟时，=45°。,三太阳辐射光谱,在平均日地距离处，大气层外垂直于辐射传播方向上单位面积上的太阳辐射照度为1353W/m2，称为太阳常数，用G表示：即G=1353W/m2 太阳常数是太阳光中所包含的总能量，但太阳光中各种波长的辐射都有，描述各种波长的光在总能量中的比重关系称为光谱。,太阳辐射光谱,各种颜色的光都有相应的波长范围。红色光的波长为700nm，光谱范围为640750 nm；橙色光的波长为620 nm，光谱范围为600640 nm；黄色光的波长为580 nm，光谱范围为550600 nm；绿色光的波长为510 nm，光谱范围为480550 nm；蓝色光的波长为470 nm，光谱范围为450480 nm；紫色光的波长为420 nm，光谱范围为400450 nm。通常人们把太阳光的各色光按频率或波长大小的次序排列成的光带图，叫做太阳光谱。,太阳辐射光谱,太阳不仅发射可见光，同时还有不可见光。整个太阳光谱包括紫外区、可见区和红外区3个部分。但其主要部分，是由0.33.0m的波长所组成的。其中，波长小于0.4m的紫外区和波长大于0.76m的红外区，则是人眼看不见的紫外线和红外线；波长为0.4m0.76m的可见区，就是我们所看到的白光。在到达地面的太阳光辐射中，紫外区的光线占的比例很小，大约为8.03%；主要是可见区和红外区的光线，分别占46.43%和45.54%。,太阳光谱曲线,卫星的测量表明，太阳光的波长分布非常宽广，从0.2450m，但大致可分为三个部分：紫外线，可见光和红外线。,波长范围/m,所占总能量百分率/%,相应范围的辐照度/W/m2,紫 外 线,可 见 光,红 外 线,00.38,7,95,0.380.78,47.29,640,0.78,45.71,618,四太阳辐射的测量,太阳辐射可分为：直射辐射、散射辐射。 直射辐射直接来自太阳而没有改变方向的太阳辐射。 散射辐射太阳光受大气层散射影响而改变方向的太阳辐射。 太阳总辐射接收到的太阳辐射总和，直射辐射+散射辐射。 长波辐射任何物体当温度高于绝对零度时，都会发出辐射能，温度不高时，辐射波长一般大于3m。,测量辐射量一般有：,直射辐射仪、散射辐射仪、长波辐射仪、总辐射仪。 G 太阳辐照度，W/m2 H 一天的辐照量，J/m2·d I 小时的辐照量，J/m2·h,五集热表面太阳入射角的计算,太阳集热器所截取的太阳直射辐射能量，主要取决于太阳入射角。 而入射角与太阳赤纬角、地理纬度 、 集热器倾角和方位角以及太阳时角有关。,赤纬角太阳光线垂直照射在地球表面处的地理纬度。 太阳时角用角度表示太阳时，叫太阳时角，15°/h，上午取负，下午取正。 太阳入射角太阳光线与集热器表面法线之间的夹角。 实际使用时应使入射角越小越好。（不是光线与集热器平面的夹角）。 集热器的倾角集热器平面与地平面的夹角。,集热器方位角集热器表面法线在地平面上的投影与正南方的夹角。 太阳高度角太阳光线与其在地平面上的投影线组成的夹角。（亦即太阳光线与地平面的夹角）。 太阳方位角s太阳光线在地上的投影线与正南方向线的夹角。正南方为0°，向西为正，向东为负。（180°s180°） 太阳天顶角z太阳光线与地平面法线之间的夹角，与互为余角，即z+=90°,太阳光在集热器表面的入射角由下式计算：,这是一个非常重要的公式，但通常可做一些简化。 若集热器朝正南方，此时=0，则公式变为：, 若把集热器倾角置于与当地纬度相同，即= ，上式可简化为：, 若集热器水平放置，则=0°, 太阳高度角的计算, 正午时刻的太阳高度角，此时=0° 春分、秋分日正午时刻的太阳高度角，此时=0°，=0°这说明，太阳高度角随纬度增加而减少。, 每天日出及日落时刻。（太阳处于地平面上为日出或日落时刻） 此时高度角=0°，所以,据此可求出任何地区、任何一天的日出、日落时角。,六大气层对太阳辐射的影响,大气层厚度约为30km，只有地球直径的1/400，却对太阳辐射的数量和分布有较大影响。 主要是：吸收、反射和散射。 太阳光线通过大气层的实际距离与大气层的法向（垂直）厚度之比称为大气质量，m。 利用太阳高度角和天顶角z，可将大气质量表示为：,大气质量几何图,z=0°时，m=1 z=60°, =30°时，m=2 太阳高度角越小，m越大，太阳辐射越少。 夏至日，北极太阳高度角为=23.5°，此时北极的m=2.5。,